Vor ein paar Milliarden Jahren tanzten vier Moleküle in die elegante Doppelhelixstruktur der DNA, die die Codes für das Leben auf unserem Planeten liefert. Aber waren diese vier Akteure wirklich grundlegend für das Erscheinen des Lebens - oder hätten andere auch unseren genetischen Code hervorbringen können?
Eine neue Studie, die heute (20. Februar) in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, unterstützt den letzteren Vorschlag: Wissenschaftler haben kürzlich eine neue Art von DNA in ihre elegante Doppelhelixstruktur geformt und festgestellt, dass sie Eigenschaften hat, die das Leben unterstützen können.
Aber wenn natürliche DNA eine Kurzgeschichte ist, ist diese synthetische DNA ein Tolstoi-Roman.
Die Forscher stellten die synthetische DNA unter Verwendung von vier zusätzlichen Molekülen her, so dass das resultierende Produkt einen Code aus acht statt vier Buchstaben hatte. Mit der Zunahme der Buchstaben hatte diese DNA eine viel größere Kapazität zum Speichern von Informationen. Wissenschaftler nannten die neue DNA "hachimoji" - was auf Japanisch "acht Buchstaben" bedeutet - und erweiterten die bisherigen Arbeiten verschiedener Gruppen, die ähnliche DNA mit sechs Buchstaben erstellt hatten.
Den Code schreiben
Natürliche DNA besteht aus vier Molekülen, die als stickstoffhaltige Basen bezeichnet werden und sich miteinander paaren, um den Code für das Leben auf der Erde zu bilden: A bindet an T; G bindet an C. Die Hachimoji-DNA enthält diese vier natürlichen Basen sowie vier weitere synthetisch hergestellte Nukleotidbasen: P, B, Z und S.
Die Forschungsgruppe, der mehrere verschiedene Teams in den USA angehörten, schuf Hunderte dieser Hachimoji-Doppelhelixe mit verschiedenen Kombinationen der natürlichen und synthetischen Nukleotidbasenpaare. Dann führten sie eine Reihe von Experimenten durch, um festzustellen, ob die verschiedenen Doppelhelixe Eigenschaften hatten, die zur Unterstützung des Lebens erforderlich waren.
Natürliche DNA hat eine charakteristische Eigenschaft, die kein anderes genetisches Molekül zu haben scheint: Sie ist stabil und vorhersehbar. Das bedeutet, dass Forscher genau berechnen können, wie es sich in bestimmten Temperaturen und Umgebungen verhält, einschließlich wann es sich verschlechtert.
Es stellt sich jedoch heraus, dass die Forscher dies auch mit der Hachimoji-DNA tun konnten - sie konnten eine Reihe von Regeln entwickeln, die die Stabilität der DNA vorhersagen können, wenn sie unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt ist.
Voraussetzungen für das Leben
Die Feststellung, dass es möglich ist, die vier synthetischen Basen hinzuzufügen und dennoch einen "Code zu erhalten, der vorhersehbar und programmierbar ist ... das ist einfach beispiellos", sagte Floyd Romesberg, Chemieprofessor bei Scripps Research in Kalifornien, der nicht Teil der Studie war, aber wer zuvor veröffentlichte Forschung zu einem früheren Code aus sechs Buchstaben. Dieses "wegweisende Papier" legt in der Tat nahe, dass G, C, A und T "nicht eindeutig sind", sagte Romesberg gegenüber Live Science.
Leitender Autor Steven Benner,Ein angesehener Mitarbeiter der Stiftung für angewandte molekulare Evolution in Florida stimmte zu. Wenn irgendwo anders im Universum das Leben auch in der DNA kodiert ist, wird es nicht "genau so sein, wie wir es hier auf der Erde haben", sagte Benner gegenüber Live Science. "Es ist sehr nützlich, solche Experimente im Labor durchzuführen, um zu verstehen, welche alternativen Strukturen es gibt."
Aber es reicht nicht aus, DNA zu erstellen, in der Informationen gespeichert sind, bemerkte Benner. Es muss auch die Fähigkeit haben, diese Informationen auf die RNA seines Schwestermoleküls zu übertragen, damit diese RNA die Proteine anweisen kann, das gesamte Geschäft in einem Organismus auszuführen.
Vor diesem Hintergrund entwickelten die Forscher synthetische Enzyme - Proteine, die eine Reaktion ermöglichen -, die erfolgreich Hachimoji-DNA in Hachimoji-RNA kopierten. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass sich das RNA-Molekül in eine Art L-Form falten konnte, die erforderlich wäre, um Informationen weiter zu übertragen.
Darüber hinaus müssen sich die DNA-Stränge in dieselbe dreidimensionale Struktur drehen können - die berühmte Doppelhelix.
Das Team schuf drei Kristallstrukturen der Hachimoji-DNA mit jeweils unterschiedlichen Sequenzen der acht Basenpaare und stellte fest, dass tatsächlich jede die klassische Doppelhelix bildete.
Damit die Hachimoji-DNA das Leben unterstützen kann, gibt es jedoch eine fünfte Anforderung, sagte Benner. Das heißt, es muss sich selbst tragen oder die Fähigkeit haben, alleine zu überleben. Die Forscher hörten jedoch auf, diesen Schritt zu untersuchen, um zu verhindern, dass das Molekül zu einem Biogefährdung wird, der eines Tages seinen Weg in die Genome von Organismen auf der Erde finden könnte.
Ein erweiterter Wortschatz
Abgesehen von flüchtigen Alternativen für das Leben im Kosmos findet dieser aus acht Buchstaben bestehende DNA-Strang auch hier auf unserem Planeten Anwendung. Ein genetisches Alphabet mit acht Buchstaben wird mehr Informationen speichern und spezifischer an bestimmte Ziele binden, sagte Benner. Zum Beispiel könnte Hachimoji-DNA verwendet werden, um an Leberkrebszellen oder Anthraxtoxine zu binden, oder um chemische Reaktionen zu beschleunigen.
"Durch die Erhöhung der Anzahl der Buchstaben von sechs auf acht wird die Vielfalt der DNA-Sequenzen erheblich erhöht", sagte Ichiro Hirao, synthetischer Molekularbiologe am Institut für Bioingenieurwesen und Nanotechnologie, A * STAR in Singapur, der ebenfalls nicht an der Studie teilnahm , sagte in einer E-Mail. (Hiraos Team war jedoch auch an früheren Forschungen beteiligt, bei denen DNA-Stränge mit sechs Buchstaben erzeugt wurden.)
Natürlich "ist dies nur eine erste Demonstration" einer DNA-Doppelhelix aus acht Buchstaben, und für den praktischen Gebrauch müssen wir die Genauigkeit und Effizienz der Replikation und Transkription in RNA verbessern, sagte Hirao in einer E-Mail. Er stellt sich vor, dass sie irgendwann noch mehr Buchstaben aufbauen könnten.
